最近三四十年,数值天气预报取得了很大进步。美国、英国、法国、欧盟、加拿大、日本、中国、澳大利亚、印度等世界上许多国家和组织先后建立了数值天气预报中心,数值天气预报已成为每天气象预报制作的不可缺少的重要工具和手段。随着计算机技术的不断发展、大气科学的持续进步、数值天气预报模式技术的不断改进、气象观测资料的不断增多,数值天气预报的水平也在不断提高。尤其是近20年来,Anthes和Warner(1978年)提出的“即使使用天气尺度的常规资料作为初值条件也可能预报出中尺度天气系统和现象”的著名假设得到越来越多的数值模拟结果所验证后,高分辨率(水平格距小于10km,甚至达2km)中尺度模式研究与业务应用更是得到了很大发展。

自英国科学家Richardson时代以来,数值预报模式的发展经历了原始方程模式、简化(滤波、地转平衡)模式、原始方程模式(正压、斜压)的反复过程。自1950年数值预报实际应用首次获得成功以来,世界上许多气象中心的业务数值预报系统发展也经历了单一预报系统、全球与有限区域两套预报系统、多套预报系统(短期、中期、中尺度、台风、环境预报等)并存、多尺度统一系统几个阶段。

一、美国

美国是世界上最早开展气象数值预报研究,并建立气象数值预报业务系统的国家。早在20世纪80年代初就已形成了由全球与区域资料同化系统,全球中期预报模式、以降水为主要对象的区域模式、专项预报(飓风)模式构成的气象数值预报体系,以后又发展了短期气候和集合预报业务模式。90年代,美国最早实现了气象资料三维变分同化业务,使大量卫星资料在数值预报中得到成功应用,卫星资料已占总资料量的83%,大大地改进了分析预报质量。随着计算能力的大幅度提高,模式分辨率不断提高,物理内容不断改进,目前全球中期预报模式的分辨率为T170L28(相当于0.7°×0.7°),含有包括水汽相变、辐射、陆面过程在内的丰富的物理过程。有限区降水模式的分辨率为32km。以上两个模式的分辨率在2001年分别达到T254 和10km。另外,季节预测采用海——气耦合模式的集合预报。

随着资料同化系统和预报模式的改进,美国数值预报水平持续得到提高,目前中期预报有效时效已达6～7d左右,第5天的500hPa预报距平相关系数已接近0.8,特别是南半球,已由20世纪90年代初的不足0.6提高到了0.7以上。现在的降水预报模式(ETA-32KM)对大雨以上级别的预报技巧(E-TS)评分比原来的NGM 模式提高了将近10%。过去的十年,美国数值预报取得了显著成绩,在此基础上,正在实施几个庞大的新发展计划,其中包括开发业务与研究共用的更新一代高分辨率中尺度模式,重点首先解决分辨率为1～10km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。同时,开展卫星资料同化应用的进一步研究,不断提高卫星资料的使用率。

二、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)

欧盟主要国家于1976年组建了ECMWF,至1979年,建立全球中期数值预报系统,并正式投入运行。20世纪80年代初,其全球中期数值预报模式分辨率达T106L19；80 年代末升级为T213L31；90 年代初模式更新换代,新的统一模式(IFS)替代原模式。1997年又把热带区域的分辨率提高为T319L40,至1999 年,又全面升级为T319L60。1996 年,原最优插值(OI)分析同化方案由三维变分(3D-VAR)方案替代,1997年四维变分(4D-VAR)方案替代3D-VAR 正式投入业务运行；ECMWF开展了中期集合预报和月季节集合预报。ECMWF 正在实施1999～2008年的重要发展计划,预计到2008年,中期预报模式的水平分辨率将达15km,有效预报时效为8d左右；中期集合预报模式水平分辨率达30km 和月季节集合预报模式水平分辨率达60km,两者的预报结果均具有较好的参考能力。ECMWF的数值预报模式体系结构的特点是全球中期天气确定性预报模式、中期集合预报模式和月季集合预报模式组成均为统一的全球谱模式。

三、法国

自20世纪60年代开始,法国一直独立自主开发自己的数值预报业务系统,主要有EMERAUDE全球中期预报谱模式和PERIDOT 有限区域格点模式。1987年起开始研究开发新的数值预报模式,即全球变网格谱模式(称为ARPEGE)；随后,ECMWF参加进来共同开发(称为IFS)。法国的ARPEGE模式于1993年投入业务运行,目前业务运行T199L31C3.5模式。1997年,3D-VAR 方案取代原OI分析同化方案。另外,以ARPEGE模式为基本模式框架,开发建立了一个更高分辨率的有限区模式ALADIN,该模式所覆盖的法国本土及周边区域的分辨率达约10km,其有限区ALADIN模式没有分析同化系统,其模式初值直接应用全球分析同化系统的结果。再者,法国目前还开发了另一新的中尺度非静力模式(MESO-NH 模式),其水平格距达500m～2km 的、考虑城市热岛效应的模拟已获成功。法国的数值预报模式体系结构的特点是短期气候、中期天气模式为统一的全球谱模式,业务用区域模式谱模式,研究用格点模式。

四、德国

德国从ECMWF引进老版本的T213L19模式(非IFS-CODE),后改造为T106L19全球模式(GM)；此外,还开发有欧洲区域模式(EM,分辨率为水平0.5°,垂直20 层)和德国区域模式(DM,水平分辨率为1.25°,垂直20层),所有的模式均采用OI分析同化方案。自1995 年起,德国开始着手开发一套全新的数值预报业务系统,即全球模式(GME)和局地模式(LM)。该系统已于1998年投入业务运行。GME 的特点为静力平衡方程、基于12 点和20 面体的六角形网格点设计、水平格距为55～60km,垂直层为31层混合层。LM 模式是一个高分辨率的中尺度模式,主要特点有全弹性方程、旋转经纬度格点、垂直方向取35层、水平分辨率为7km、作3h间隔的Nudging资料分析同化等。德国的数值预报模式体系结构的特点是短期气候、中期天气模式为统一的全球三角形格点模式,区域模式为非静力平衡、经纬度格点模式。(www.daowen.com)

五、英国

英国一直没有走谱模式的路子,一直坚持开发应用格点模式,这是全世界唯一的一个全球格点业务模式,该模式已开发成了气候预测、中期预报、中尺度预报、台风路径预报的“多尺度统一”模式。自1999年起,全球与中尺度的3D-VAR 分析同化方案取代原来的OI分析同化方案；再者,英国还用全球模式同时制作太平洋和大西洋等热带海洋的台风、飓风的预报,并采用了BOGUSING 的技术。英国气象局目前运行的气候预测模式的水平分辨率为2.5°×3.87°,垂直分辨率38层；全球中期预报模式的水平分辨率为60km,垂直分辨率30层；中尺度模式的水平分辨率为12km,垂直分辨率38层。目前,英国气象局正在着手开发新一代非静力平衡、统一、格点模式(现有模式为静力平衡、统一、格点模式)。英国的数值预报模式体系结构的特点是短期气候模式、中期天气模式、区域模式、台风模式均为统一的经-纬度格点模式。

六、加拿大

加拿大一直致力于独立开发自己的数值预报业务系统。1998 年之前,采用全球谱模式和erning2OI分析同化方案,分辨率为T199L21；其有限区域模式则采用有限元差分和变网格技术,水平分辨率为35km,垂直层为28层。从1998年起,业务模式被全球环境统一模式(GEM)所替代,全球模式的水平分辨率为0.9°,垂直层为28层,由GEM“切割”出来的有限区高分辨率模式的垂直分层为28层,水平分辨率为24km；3D-VAR 分析同化方案已取代原来全球和有限区域的OI分析同化方案。此外,还有一个局地气象——水文模式(MC2模式),水平格距小于10km,该模式和洪水预报模型联机作业,可用于制作江河流域、湖泊的洪水预报。加拿大气象局的非静力平衡新模式正在试验之中,水平分辨率可达360m～3.6km。加拿大完成数值预报系统的更新换代时间仍不长,它的数值预报模式体系结构的特点是短期气候模式、中期天气模式、集合预报模式、区域预报模式均为统一的经纬度格点模式,而研究用的中尺度非静力平衡模式为正方形格点模式。

七、日本

日本从1996年起,开始业务运行T213L30模式,与之嵌套的东亚区域模式(RSM),也是谱模式,分辨率约为20km×36层,全球模式和区域模式都采用OI分析同化方案,2000年将以3D-VAR 取代OI方案；其台风模式则为格点差分模式,分辨率约为40km×15层,垂直分辨率一直不增加,采用二次嵌入的BOGUSING 技术；目前在RSM 基础上建立了一个10km 水平分辨率的非常短时的预报系统。日本气象厅下一步的“宏伟计划”是建立起一个水平分辨率达1km 的中尺度区域模式、水平分辨率达2～20km 的气候预测模式。日本的新一代数值预报模式,很可能是“非谱的模式”。日本的数值预报模式体系结构的特点是短期气候模式、中期天气模式、区域模式、台风模式均为谱展开模式。

八、中国

1982年2月16日,我国的第一个数值预报业务系统——短期数值天气预报业务系统(简称B 模式)在中型计算机上建立并正式投入业务应用,结束了我国只收用国外数值预报产品的历史。1991年6月15日,我国第一个中期数值预报业务系统(简称T42)在CYBER 大型计算机上建立并正式投入业务运行。这一系统的建成使我国步入了世界少数几个开展中期数值天气预报的先进国家行列。近10多年数值预报又有了大踏步进展,2002年9月1日建立了全球T213L31全球中期分析预报系统(简称T213),预报水平有了质的飞跃。

数值预报产品种类繁多,每天通过卫星9210网络下发的数值预报产品达9000余份,同时通过Internet网站向天气与环境预报室提供数值预报图形产品。除常规气象要素产品外,还能提供环境紧急响应、沙尘暴、空气质量、紫外线、森林火险等产品服务。

现阶段由T213L31、Grapes _ Meso、全球台风路径数值预报、T106L19中期集合预报和NMC中尺度数值预报系统构成的NWP基本业务体系结构。T213L31可以预报1～10d内全球大尺度环流的演变、大范围降水的发生发展等,如高空槽脊、副热带高压,地面高、低气压和冷、暖锋面,大范围雨带等。